機械式機油泵通過合適的循環(huán)回路將機油泵入內(nèi)燃機內(nèi)部，以確保必要的潤滑和冷卻。在機油泵運行期間，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)會產(chǎn)生高頻的相互作用，因而在零件表面會產(chǎn)生磨損，這樣就會導(dǎo)致泵油能力的不斷降低。Bosch VHIT公司已開發(fā)出了一種用于驗證設(shè)計正確性的模擬工具，以評估可調(diào)式葉片泵的磨損過程，以此就能用于改善機油泵設(shè)計而降低試驗成本。

1 機油泵設(shè)計優(yōu)化

在內(nèi)燃機中，潤滑機油泵在維持整個系統(tǒng)運行條件方面起著決定性的作用。機油泵持續(xù)不斷地泵送機油用于潤滑并冷卻發(fā)動機零部件，從而避免了因干摩擦而隨之產(chǎn)生的磨損和高溫失效現(xiàn)象。機油泵具有多種結(jié)構(gòu)型式來滿足這些用途，其可分為電動調(diào)節(jié)式和機械調(diào)節(jié)式機油泵。本文重點研究了機械式機油泵（MOP），確切地說是泵油量可調(diào)式葉片泵（VV-MOP）（圖1），其在汽車工業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。圖2示出了典型的VV-MOP的剖面圖。

圖1 泵油量可調(diào)式機油泵

圖2 泵油量可調(diào)機械式機油泵（左），因外環(huán)能繞旋轉(zhuǎn)支點轉(zhuǎn)動而能減少泵油量（右）

在設(shè)計機油泵時需有計劃地使用模擬工具，利用其分析結(jié)果就能預(yù)測出各種不同的運行條件，當(dāng)然用戶要求不僅在于投產(chǎn)前而且應(yīng)在整個產(chǎn)品壽命期間機油泵都具有最佳的運行性能。

為了完成整個驗證過程，則需在試驗臺或汽車上進行相應(yīng)數(shù)量的試驗。傳統(tǒng)采用純經(jīng)驗的試驗方法對時間及資金有極大的損耗，并且在絕大多數(shù)情況下會超出預(yù)計的試驗時間。

為了使用于轎車和商用車的泵油量可調(diào)機械式機油泵達到最高的效率，于數(shù)年前已開發(fā)了多種模擬工具，經(jīng)過Bosch VHIT公司的優(yōu)化，開發(fā)出了一種以數(shù)學(xué)多體模擬模型為基礎(chǔ)的模擬工具，從而通過機械式機油泵零部件之間相互機械作用的模擬，就能在考慮到這些相互作用、潤滑狀況以及潛在的磨損現(xiàn)象情況下優(yōu)化機油泵的設(shè)計。以此即可改善機油泵的使用壽命，而且還能防止機油泵工作能力的下降及其隨之在發(fā)動機內(nèi)部出現(xiàn)的損壞。通過識別臨界接觸表面并預(yù)測可能存在的磨損程度，就能在進行試驗之前對各種不同的材料進行比較，以避免過多不必要的方案。

2 機械式機油泵的工作機理

葉片泵由泵體內(nèi)腔中被外環(huán)內(nèi)表面包圍的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成，并直接通過與發(fā)動機傳動軸連接的轉(zhuǎn)子傳遞驅(qū)動力。

葉片式機油泵的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一定數(shù)量的葉片（Nv）、兩個中心環(huán)、一個外環(huán)和轉(zhuǎn)子組成，這些零件彼此間是通過機械方式進行連接的，這樣才能使機油泵正常運轉(zhuǎn)。正如圖2所示，轉(zhuǎn)子是外環(huán)中的一個對稱零件,其相對于外環(huán)內(nèi)表面處于偏心位置，而葉片則被插入轉(zhuǎn)子內(nèi)的槽中，與轉(zhuǎn)子和外環(huán)共同形成容納機油的腔室，從進油口至出油口機油就被封閉在其中。兩個中心環(huán)被分別安裝在轉(zhuǎn)子的前后側(cè)。這些零件被設(shè)計得在旋轉(zhuǎn)期間使滑行的葉片可連續(xù)地與外環(huán)內(nèi)表面接觸并形成封閉狀態(tài)，以預(yù)防在葉片之間每個腔室中的機油發(fā)生泄漏。

在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間，隨著進油腔室容積的增大機油被吸入腔室，隨后這些機油就被一起壓往出油口，并被泵入發(fā)動機機油管路中，于是機油通過機油泵壓力室被連續(xù)地泵入發(fā)動機中。

3 可調(diào)節(jié)的泵油量

機油泵的泵油量基本與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比,但是在機械式機油泵的某種特定分組情況下泵油量還是能調(diào)節(jié)的。

圖2中紅色范圍內(nèi)的高壓能將很大的力作用于外環(huán)外面的調(diào)節(jié)范圍。如果壓力超過設(shè)計時所規(guī)定的閾值，那么調(diào)節(jié)彈簧就會被逐漸壓縮，這種較小的變化就會對整個系統(tǒng)的幾何學(xué)產(chǎn)生影響，因為此時外環(huán)會開始圍繞著旋轉(zhuǎn)支點轉(zhuǎn)動（見圖2），而機油泵的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會達到一個全新的平衡位置，其泵油容積就能按需減少，于是流量也同時保持在所期望的值，這樣就不會消耗不必要的發(fā)動機功率。

機械式機油泵旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的這種新的結(jié)構(gòu)配置也會對磨損過程產(chǎn)生影響，因而零件上的臨界磨損表面就會隨著泵油容積的調(diào)節(jié)而發(fā)生變化。原則上，諸如轉(zhuǎn)速、幾何學(xué)和機油高壓等各種不同因素的組合會導(dǎo)致臨界狀況，因此在模擬模型中必須考慮到壓力變化所誘導(dǎo)的后果。

4磨損過程和設(shè)計驗證

泵入發(fā)動機的機油可直接用于各種零件之間接觸表面的潤滑,但是仍會發(fā)生臨界磨損狀況而導(dǎo)致機油泵內(nèi)部的摩擦問題,其結(jié)果就會出現(xiàn)干摩擦而引起機油泵的磨損,在相應(yīng)措施不完善的情況下就會縮短發(fā)動機使用壽命。圖3示出了泵油量可調(diào)式機油泵內(nèi)部可能出現(xiàn)的4種基本磨損情況。正如過去經(jīng)驗和實驗分析所表明的那樣，磨損最大的接觸表面（BF）如下：（1）BF 1：葉片上端與外環(huán)內(nèi)表面之間的接觸表面；（2）BF 2和BF 3：葉片側(cè)面與轉(zhuǎn)子接觸點之間的接觸表面；（3）BF 4：葉片與中心環(huán)之間的接觸表面；為了預(yù)測BF的摩擦特性，開發(fā)了模擬工具，并借助于相應(yīng)的實驗工作階段的實驗結(jié)果予以驗證。

圖3 VV-MOP零件之間的主要磨損表面

及泵零件之間常見的磨損細節(jié)

借助于系統(tǒng)動態(tài)模型、預(yù)測機械式機油泵零件磨損過程的模擬工具、實驗結(jié)果驗證以及對評估泵油量可調(diào)式機油泵模型可靠性進行的后處理來查明泵油量可調(diào)式機油泵的磨損過程。

5 泵油量可調(diào)式機油泵模型

第一步首先要查明機油泵旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)所有零件之間的運動學(xué)關(guān)系。整個模型基本上是一個具有兩個自由度的系統(tǒng):系統(tǒng)偏心距ecc和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角θ。

這兩個參數(shù)的數(shù)值能彼此獨立地進行變化。圖4是相對于單個葉片的運動學(xué)示意圖，在模擬時這種模型可用于描寫零件之間的間隙損耗和間隙寬度，其結(jié)果具有較高的細部精度，零件之間相對運動的模擬還能確定磨損零件表面的部位，并且無需進行簡化。

圖4 泵油量可調(diào)式機油泵的運動學(xué)系統(tǒng)

除此之外，多體動力學(xué)系統(tǒng)可與機油泵腔室中機油的流體動力學(xué)特性一起作為負荷狀態(tài)函數(shù)來解，這樣就能使液壓力作用于整個系統(tǒng)?；谠撛?，就能在等溫條件下同時連同其他物理影響因素一起解出用于多體系統(tǒng)的方程組，從而最終查明所有零件連同機油的摩擦接觸特性。

圖5示出了機油泵單個葉片的受力系統(tǒng)，圖中標(biāo)志的箭頭表示在動力學(xué)系統(tǒng)中被調(diào)制的不同的力。力Ft和Fb位于葉片上端和下端的接觸表面；力F1和F2位于相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的葉片背面和正面，同時還對葉片側(cè)面產(chǎn)生了壓力Fpc。

圖5 第n個葉片的受力系統(tǒng)

模擬環(huán)境允許評估機油的流體動力學(xué)特性，其中流體特性可作為壓力和溫度的函數(shù)（在考慮到質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律情況下），并且還能評估其它諸如穴蝕和空氣滲透等狀況。

如上所述，機油的流體動力學(xué)會影響機械式機油泵運行時的整體動力學(xué)，因此必須詳盡地建立機油的流體動力學(xué)模型，著重注意機械式機油泵運行期間單個機油腔室中的壓力變化以及每個零件不同接觸表面的潤滑狀況。在BF 1～3接觸表面上必然會發(fā)生明顯的機油泄漏和磨損損壞。目前已確定有3種重要的流體動力學(xué)效應(yīng)：

（1）粘著滑行效應(yīng)，這是由這些接觸表面上的潤滑狀況所引起的，它歸因于葉片相對于與外環(huán)之間縫隙中機油的切向速度（BF 1）；

（2）擠壓效應(yīng)，它與葉片滑動的徑向速度成正比，葉片的這種擠壓效應(yīng)會將轉(zhuǎn)子與外環(huán)之間的接觸表面上的機油擠壓出去進入毗鄰的腔室中；

（3）空氣滲透，還有氣泡或溶解在機油中的空氣，它是例如溫度、旋轉(zhuǎn)速度和機油壓力變化等諸多變化因素的函數(shù)。

在機油泵運行期間，這些動力學(xué)過程會導(dǎo)致臨界的腔室機油壓力峰值。

6 摩擦接觸計算

開發(fā)的這種模擬程序使得根據(jù)赫茲方程進行的摩擦計算的摩擦副反作用力能夠定量化，與此相應(yīng)評估接觸壓力狀況和計算每個步驟接觸材料的強度，由此就能查明相同或不同硬度和粗糙度的兩個零件之間的能量交換。這樣查明的模型化零件的動態(tài)摩擦力通常是非線性的，因此系統(tǒng)必須用數(shù)字來解。圖5示出的是BF 1計算壓力狀況的細部。

7 試驗的實施

采用加速磨損試驗方法來查明泵油量可調(diào)式機油泵的臨界負荷條件。最主要的目的是建立測得的每單個零件的磨損量與模型模擬的接觸力之間的關(guān)系，因此要根據(jù)其Archard磨損系數(shù)K并與參考文獻中的數(shù)值進行比較來查明機械式機油泵的設(shè)計品質(zhì)（表1），最后進行設(shè)計評估，其中將鑒定臨界接觸表面的潤滑狀況是否可靠，產(chǎn)品的使用壽命是否如預(yù)期的那樣比最初結(jié)構(gòu)試驗時高得多。

表1 Archard磨損系數(shù)K

8 試驗和測量

進行試驗時，在整個試驗持續(xù)期間有規(guī)律的時間間隔中，在一定的時間采用加速磨損臨界循環(huán)給泵油量可調(diào)式機油泵加載，在預(yù)先規(guī)定的間隔時間將機油泵從試驗臺上拆下來并進行分解，采用微米級誤差的高精度測量儀器查明每個零件的狀況，然后再將機油泵裝配好，安裝到試驗臺上，直至下一個測量時間點。經(jīng)歷這樣的過程就能一步步地保存試驗結(jié)果，為所有零件建立磨損量（Wv）和磨損過程。

在這種關(guān)系中可應(yīng)用兩種不同的試驗規(guī)范（VP）（圖6）。綜合每個負荷循環(huán)的試驗結(jié)果就能得到磨損特性，最終查明的結(jié)果處于這兩種試驗結(jié)果之間。

圖6 試驗規(guī)范

9 試驗結(jié)果

進一步處理試驗結(jié)果，并得到K，從而就能查明機械式機油泵零件接觸面的潤滑狀況。

從試驗中只要獲得關(guān)于接觸表面BF 1～3的信息，因為接觸表面BF 4不會出現(xiàn)對機械式機油泵工作能力具有重要意義的磨損現(xiàn)象，因此采用不同的方法處理接觸表面BF 1～3：對于BF 1按照上述方法定量查明其磨損量和潤滑狀況；對于BF 2～3則不考慮其潤滑狀況，因為其對于評估過程并無重要意義，特別是用Archard定律不能正確地描述這樣的滑動接觸，因此對于這些表面只要評估葉片側(cè)面的磨損范圍，并在試驗后對葉片側(cè)面上的磨損部位進行目測比較。不同接觸表面的模擬結(jié)果示于圖7。

圖7 不同接觸表面磨損過程的模擬結(jié)果

接觸表面BF 1的試驗結(jié)果（圖8）表明，該兩種試驗在不同時間點的測量之間基本上無明顯的區(qū)別，特別是在試驗初期因磨損消除了零件上所有的粗糙部位，因此達到穩(wěn)定狀態(tài)，在后續(xù)的進程中數(shù)值有所降低。為了改善確認(rèn)的可靠性，分析時僅考慮了第一個測量時間點的試驗狀況，因為其中涉及到磨損過程中最不利的狀況。

圖8 試驗1～2后接觸表面BF1磨損量

測量結(jié)果

最后，評估兩種試驗的試驗狀況，從而就能對模擬和試驗進行比較（圖9）。按照上述方法評估所有臨界接觸表面的所有分析參數(shù)。正如前面所闡述的那樣，所評估的接觸表面BF 1的潤滑狀況處于試驗1和2試驗結(jié)果之間，因此對于葉片與外環(huán)之間的接觸具有足夠的基本上是彈性流體動力學(xué)潤滑，因此所分析的機械式機油泵的設(shè)計是較為可靠的，葉片側(cè)面的模擬磨損表面已通過目測進行確認(rèn)。未來還應(yīng)對接觸表面BF 2～3進行的測量。

圖9 試驗1～2時BF1潤滑狀況（左）和

目測查明的BF2～3（右）

10 結(jié)論

Bosch VHIT公司的這種新型模擬工具能查明臨界接觸表面和潛在的磨損區(qū)域，因此在設(shè)計階段就能防止它們的發(fā)生。通過在各種不同運行條件下機油泵整個使用壽命的模擬，就能減少必須在試驗臺和汽車上進行試驗的數(shù)量，并提高產(chǎn)品的可信度。對最終設(shè)計的優(yōu)化可按照不同的工作循環(huán)進行，并且在試驗之前就能避免設(shè)計尺寸過大。